JP2007115485A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下での起動性能の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、気液分離器７１によって気液分離された気体を循環ポンプ３２によって吸引し、その上でエゼクタ７４によって液水を吸引して外部に排出する。これにより、気液分離器７１内の燃料ガスが循環ポンプ３２によって吸引され、気液分離器７１内の燃料ガスが少なくなる。そして、気液分離器７１内から液水を吸引して排出するときには、気液分離器７１内に燃料ガスが多く存在せず、たとえ気液分離器７１内の液水を全て排出し、さらに気液分離器７１内のガスを排出することになろうとも、燃料ガスを多量に排出してしまう事態が生じない。故に、燃料電池システム１は、燃料ガスの排出予防のために、気液分離器７１内に常時液水を一定量残す必要がなくなっており全排出することで凍結を防止できるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムでは、燃料電池の燃料極側において生じる水を液水貯留装置により回収し、回収された水の水位が規定水位以上に達した場合に、液水貯留装置に設けた排水制御装置によって液水を排出するようにしている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３１３４０３号公報

しかし、従来の燃料電池システムでは、液水の排出と共に燃料ガスが排出されないようにするために、液水を完全には排出せず一定量の液水を残すようにしている。このため、液水貯留装置には常時水が存在することとなり、低温環境下では排水制御装置が凍結してしまうことがある。この凍結により、排水制御装置は水位が規定水位以上となっても液水を排出できなくなる。特に、燃料電池システムの起動時には、凍結した液水を解凍してから起動することとなり、起動時間が長く、起動性能が低下してしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低温環境下での起動性能の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、ガス循環ラインと、気液分離手段と、気体吸引手段と、液水吸引排出手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの提供を受ける燃料極および酸化剤ガスの提供を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。ガス循環ラインは、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるものである。気液分離手段は、ガス循環ライン上に設けられ、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを気液分離するものである。気体吸引手段は、気液分離手段によって気液分離された該気液分離手段内の気体を吸引するものである。液水吸引排出手段は、気体吸引手段により気体が吸引された気液分離手段内の液水を吸引して外部に排出するものである。

本発明によれば、気液分離手段によって気液分離された該気液分離手段内の気体を気体吸引手段によって吸引することとしている。これにより、燃料電池スタックにおいて発電に利用されなかった燃料ガスが気液分離手段内から吸引されることとなる。

また、気体が吸引された気液分離手段内から、液水吸引排出手段によって液水を吸引して外部に排出することとしている。このため、気液分離手段内から液水を吸引して排出するときには、気液分離手段内に燃料ガスが多く存在せず、たとえ気液分離手段内の液水を全て排出し、さらに気液分離手段内のガスを排出することになろうとも、燃料ガスを多量に排出してしまう事態が生じない。

故に、本発明の燃料電池システムでは、燃料ガスの排出予防のために、気液分離手段内に常時液水を一定量残す必要がなくなっており凍結を防止できるようになっている。従って、システム起動時に解凍に多くに時間を割く必要がなく、低温環境下での起動性能の低下を抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、ガス循環系３０と、酸化剤ガス供給系４０と、酸化剤ガス排出系５０と、第１開閉弁６１と、バイパス配管６２と、第２開閉弁６３と、水排出系７０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）とを反応させることにより発電を行うものであり、水素ガスの供給を受ける燃料極と、酸素を含む空気の供給を受ける酸化剤極とを有している。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、これら発電セルが複数層積層された構造となっている。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスを供給するものであり、燃料ガス貯蔵タンク（燃料ガス供給手段）２１と、燃料ガス供給配管２２と、第１圧力調整弁２３とからなっている。燃料ガス貯蔵タンク２１は、燃料ガスを燃料電池スタック１０の燃料極に供給する供給源となるものであり、燃料ガスを高圧状態で貯蔵しておくものである。燃料ガス供給配管２２は、一端が燃料ガス貯蔵タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１０の燃料極側入口に接続され、燃料ガス貯蔵タンク２１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０の燃料極に導くものである。第１圧力調整弁２３は、燃料ガス供給配管２２に設けられ、開度を調整することにより、燃料ガス貯蔵タンク２１から燃料電池スタック１０の燃料極側に供給される燃料ガスの供給量を制御するものである。また、第１圧力調整弁２３は、燃料ガスの供給量を制御することにより燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。

ガス循環系３０は、発電に寄与することなく燃料電池スタック１０から排出された燃料ガスを再利用するためのものであって、循環配管（ガス循環ライン）３１と、循環ポンプ（気体吸引手段）３２と、制御弁３３と、循環弁３４とからなっている。循環配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるものである。循環ポンプ３２は、循環配管３１上に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるものである。制御弁３３は燃料電池スタック１０から循環ポンプ３２に至るまでの循環配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。循環弁３４は、制御弁３３から循環ポンプ３２に至るまでの循環配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。

酸化剤ガス供給系４０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給するものであり、コンプレッサ（酸化剤ガス送出手段）４１と、酸化剤ガス供給配管４２とからなっている。コンプレッサ４１は、酸化剤ガスを送出するものであり、外気を圧縮して燃料電池スタック１０に空気を送り込むようになっている。酸化剤ガス供給配管４２は、コンプレッサ４１と燃料電池スタック１０の酸化剤極側入口とを接続するものであり、コンプレッサ４１により圧送される空気を燃料電池スタック１０の酸化剤極に導くものである。

酸化剤ガス排出系５０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側から排出されたオフガスを外部へ排出するものであり、酸化剤ガス排出配管５１と、第２圧力調整弁５２とからなっている。酸化剤ガス排出配管５１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口と外部とを接続し、酸化剤極側から排出されたガスを外部に導く流路となるものである。第２圧力調整弁５２は、酸化剤ガス排出配管５１に設けられ、燃料電池スタック１０の酸化剤極側のガスの排出量を制御するものである。また、第２圧力調整弁５２は、ガス排出量を制御することにより酸化剤極側の圧力についても制御する構成となっている。

第１開閉弁６１は、コンプレッサ４１から燃料電池スタック１０に至るまでの酸化剤ガス供給配管４２に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。バイパス配管６２は、一端がコンプレッサ４１から第１開閉弁６１に至るまでの酸化剤ガス供給配管４２に接続され、他端が第２圧力調整弁５２から外部に至るまでの酸化剤ガス排出配管５１に接続されている。第２開閉弁６３は、バイパス配管６２に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。

ここで、コンプレッサ４１から送出される空気は、第１および第２開閉弁６１，６３によって流れる方向が決定される。すなわち、第１開閉弁６１を開け、第２開閉弁６３を閉じることにより、コンプレッサ４１からの空気は燃料電池スタック１０に供給される。一方、第１開閉弁６１を閉じ、第２開閉弁６３を開けることにより、コンプレッサ４１からの空気は燃料電池スタック１０を経由することなく酸化剤ガス排出配管５１に流れ込む。このとき、第２圧力調整弁５２は閉じられていると、コンプレッサ４１からの空気は酸化剤ガス排出配管５１に流れ込んだ後、外部方向へ流れることとなる。

水排出系７０は、発電過程において生じる水分を凝縮したうえで排出するものであり、気液分離器（気液分離手段）７１と、水排出配管７２と、水排出弁７３と、エゼクタ（液水吸引排出手段）７４とを有している。気液分離器７１は、制御弁３３と循環弁３４との間の循環配管３１に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを気液分離するものである。水排出配管７２は、一端が気液分離器７１に接続され、他端が酸化剤ガス排出配管５１（バイパス配管６２との接続部よりも下流側）に接続され、気液分離器７１により気液分離された液水を外部に排出するための流路となるものである。水排出弁７３は、水排出配管７２に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。エゼクタ７４は、水排出配管７２と酸化剤ガス排出配管５１との接続部に設けられ、酸化剤ガス排出配管５１のガス流に応じた吸引力で気液分離器７１から液水等を吸引し、外部に排出するものである。

さらに、燃料電池システム１は、第１圧力センサ８１と、第２圧力センサ８２と、水位センサ８３と、コントローラ９０とを備えている。第１圧力センサ８１は、気液分離器７１の内部に設けられ、気液分離器７１内の圧力を検出するものである。第２圧力センサ８２は、水排出弁７３からエゼクタ７４に至るまでの水排出配管７２に設けられ、この箇所の圧力を検出するものである。水位センサ８３は、気液分離器７１の内部に設けられ、気液分離器７１内の液水の水位を検出するものである。

コントローラ９０は、各種弁２３，３３，３４，５２，６１，６３，７３に開閉指令や、循環ポンプ３２およびコンプレッサ４１の駆動等を行うものであり、特に、本実施形態に係るコントローラ９０は、気液分離器７１から液水を排出するにあたり、以下の制御を行うようになっている。すなわち、コントローラ９０は、気液分離器７１から液水を排出するにあたり、まず、制御弁３３に閉指令を行い、循環ポンプ３２を駆動させる。これにより、循環ポンプ３２は、気液分離器７１によって気液分離された気液分離器７１内の気体を吸引することとなる。次いで、コントローラ９０は、循環ポンプ３２を停止させると共に、第２圧力調整弁５２および第１開閉弁６１に閉指令を行い、第２開閉弁６３および水排出弁７３に開指令を行う。さらに、コントローラ９０は、コンプレッサ４１を駆動させる。これにより、エゼクタ７４は、循環ポンプ３２によって気体が吸引された気液分離器７１内の液水を、コンプレッサ４１から送出される酸化剤ガスの流れに応じた吸引力で吸引して排出することとなる。

このため、気液分離器７１内から液水を吸引して排出するときには、気液分離器７１内に燃料ガスが多く存在しないこととなり、たとえ気液分離器７１内の液水を全て排出し、さらに気液分離器７１内のガスを排出することになろうとも、燃料ガスを多量に排出してしまう事態が生じない。故に、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料ガスの排出予防のために、気液分離器７１内に常時液水を一定量残す必要がなくなっている。なお、液水の排出は、水位センサ８３により検出された水位が規定量に達したときや、燃料電池システム１の停止時に行われる。特に、燃料電池システム１の停止時に液水を全て排出すると、その後燃料電池システム１が低温環境下に曝されても、液水の凍結がすることがない。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の停止時における詳細動作を示すフローチャートである。図２に示すように、燃料電池システム１の停止段階においてコントローラ９０は、まず、制御弁３３に閉指令を行う（ＳＴ１）。これにより、制御弁３３は閉じられることとなる。次いで、コントローラ９０は、循環ポンプ３２を一定時間駆動させる（ＳＴ２）。これにより、気液分離器７１内から未利用の燃料ガスが吸引される。

一定時間経過後、コントローラ９０は、循環ポンプ３２を停止させる（ＳＴ３）。次に、コントローラ９０は、第２圧力調整弁５２および第１開閉弁６１に閉指令を行うと共に、第２開閉弁６３に開指令を行う（ＳＴ４）。そして、コントローラ９０は、コンプレッサ４１を起動させる（ＳＴ５）。このステップＳＴ４およびＳＴ５の処理により、エゼクタ７４に酸化剤ガスが流れ、水排出配管７２側が吸引されることとなる。

次いで、コントローラ９０は、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きいか否かを判断する（ＳＴ６）。ここで、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも小さい場合、エゼクタ７４は液水を吸引できず、逆に酸化剤ガスが気液分離器７１に流入してしまう。このため、コントローラ９０は、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きいか否かを判断することとしており、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きくないと判断した場合（ＳＴ６：ＮＯ）、コンプレッサ４１の流量を調整する（増大させ）（ＳＴ７）、処理はステップＳＴ６に移行する。

一方、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きいと判断した場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、水排出弁７３に開指令を行う（ＳＴ８）。そして、コントローラ９０は、再度、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きいか否かを判断する（ＳＴ９）。エゼクタ７４により液水が吸引されると気液分離器７１内の圧力が低下するため、ステップＳＴ９において再度判断することとしている。

そして、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きくないと判断した場合（ＳＴ９：ＮＯ）、コントローラ９０は、水排出弁７３に閉指令を行い（ＳＴ１０）、コンプレッサ４１の流量を調整する（増大させる）（ＳＴ１１）。その後、処理はステップＳＴ９に移行する。

一方、第１圧力センサ８１により検出される圧力が第２圧力センサ８２により検出される圧力よりも大きいと判断した場合（ＳＴ９：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、水排出弁７３に開指令を行う（ＳＴ１２）。そして、コントローラ９０は、水位センサ８３により検出される水位が「０」となっているか否かを判断する（ＳＴ１３）。水位センサ８３により検出される水位が「０」となっていないと判断した場合（ＳＴ１３：ＮＯ）、処理はステップＳＴ９に移行する。

また、水位センサ８３により検出される水位が「０」となったと判断した場合（ＳＴ１３：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、水排出弁７３に閉指令を行う（ＳＴ１４）。これにより、気液分離器７１内の液水を全て排出することとなる。また、水位センサ８３により検出される水位が「０」となったときに即座に水排出弁７３を閉じることで、気液分離器７１内に残る燃料ガスをできるだけ外部に排出しないようにしている。また、仮に気液分離器７１内に高濃度の燃料ガスが残っていたとしても、エゼクタ７４により酸化剤ガスと混合されたうで排出されるため、高濃度の燃料ガスを外部に排出してしまう可能性を軽減できる。その後、コントローラ９０は、コンプレッサ４１を停止させ（ＳＴ１５）、図２に示す処理は終了することとなる。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、気液分離器７１によって気液分離された該気液分離器７１内の気体を循環ポンプ３２によって吸引することとしている。これにより、燃料電池スタック１０において発電に利用されなかった燃料ガスが気液分離器７１内から吸引されることとなる。

また、気体が吸引された気液分離器７１内から、エゼクタ７４によって液水を吸引して外部に排出することとしている。このため、気液分離器７１内から液水を吸引して排出するときには、気液分離器７１内に燃料ガスが多く存在せず、たとえ気液分離器７１内の液水を全て排出し、さらに気液分離器７１内のガスを排出することになろうとも、燃料ガスを多量に排出してしまう事態が生じない。

故に、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料ガスの排出予防のために、気液分離器７１内に常時液水を一定量残す必要がなくなっており凍結を防止できるようになっている。従って、システム起動時に解凍に多くに時間を割く必要がなく、低温環境下での起動性能の低下を抑制することができる。

また、酸化剤ガスの流れにより液水を吸引するエゼクタ７４を備えているため、気液分離器７１内の液水を全て排出し、さらに気液分離器７１内のガスを吸引したとしても、吸引されたガスは酸化剤ガスによって希釈されることとなる。従って、たとえ気液分離器７１内から燃料ガスを排出することになったとしても、希釈したうえで排出を行うことができる。

また、コンプレッサ４１は、エゼクタ７４に加えて、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを送出する構成となっているため、エゼクタ７４と燃料電池スタック１０とのそれぞれに１つずつコンプレッサ４１を設ける必要がなく、省スペース化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、一部が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図３に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第２水排出系１００を備えている。第２水排出系１００は、水排出系７０とは別に設けられ、発電過程において生じる水分を凝縮したうえで排出するものである。この第２水排出系１００は、第２気液分離器（第２気液分離手段）１０１と、第２水排出配管１０２と、第２水排出弁１０３とを有している。

第２気液分離器１０１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを気液分離するものであり、気液分離器７１とは別に設けられている。また、第２気液分離器１０１は、内部空間を二分する仕切板１０１ａを有している。仕切板１０１ａは、移動可能に構成されており、仕切板１０１ａによって二分される第２気液分離器１０１内の一方側の空間および他方側の空間の大きさを調整可能となっている。また、第２気液分離器１０１は、仕切板１０１ａによって二分される空間の一方側で気液分離を行う構成となっており、仕切板１０１ａを移動させることによって、一方側で貯留する液水の水位を調整可能となっている。

第２水排出配管１０２は、一端が第２気液分離器１０１に接続され、他端が外部につながっており、第２気液分離器１０１において気液分離された液水を外部に排出するものである。第２水排出弁１０３は、第２水排出配管１０２に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。このように構成されるため、第２水排出配管１０２および第２水排出弁１０３は、第２気液分離器１０１により気液分離された液水を排出する液水排出手段として機能することとなる。

さらに、第２実施形態において循環配管３１は、メイン配管（メインライン）３１ａと、サブ配管（サブライン）３１ｂとに分岐されている。また、第２実施形態においてガス循環系３０は、新たに第２制御弁３５、および第３制御弁３６を有している。

メイン配管３１ａは、第２気液分離器１０１を経由してガスを循環させるものであり、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口に接続され、他端が第１圧力調整弁２３から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの燃料ガス供給配管２２（以下、接続部Ａという）に接続されている。サブ配管３１ｂは、気液分離器７１を経由してガスを循環させるものであり、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口から第２気液分離器１０１に至るまでのメイン配管３１ａ（以下接続部Ｂという）に接続され、他端が第２気液分離器１０１から接続部Ａに至るまでのメイン配管３１ａに接続されている。

また、メイン配管３１ａは、１０１ａ仕切板によって二分される第２気液分離器１０１内の空間の一方側に接続されており、サブ配管３１ｂは、仕切板１０１ａによって二分される空間の他方側に接続されている。ここで、上記した制御弁（第１制御弁）３３、気液分離器７１および循環弁３４は、第２気液分離器１０１の下流側に設けられている。従って、サブ配管３１ｂを通じて流れるガスは、第２気液分離器１０１の他方側に流入した後、制御弁３３、気液分離器７１および循環弁３４の順に通過してメイン配管３１ａに戻ることとなる。また、第２気液分離器１０１の他方側にサブ配管３１ｂが接続されているため、第２気液分離器１０１は、他方側の圧力が調整されることで仕切板１０１ａを動かして液水の水位を調整することができるようになっている。

第２制御弁３５は、燃料電池スタック１０から排出されたガスが第２気液分離器１０１の一方側に至るまでの区間におけるメイン配管３１ａに設けられ、第３制御弁３６は、第２気液分離器１０１の一方側から排出されたガスが燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの区間におけるメイン配管３１ａに設けられている。これら制御弁３５，３６は、制御弁３３と同様に、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりする構成となっている。

さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第２水位センサ１１１と、第３圧力センサ（圧力検出手段）１１２を有している。第２水位センサ１１１は、第２気液分離器１０１の一方側の空間内に設けられ、第２気液分離器１０１の一方側に存在する液水の水位を検出するものである。第３圧力センサ１１２は、第２気液分離器１０１の他方側の空間内に設けられ、第２気液分離器１０１の他方側の圧力を検出するものである。

なお、第２実施形態において循環ポンプ３２は、接続部Ｂから接続部Ａに至るまでのメイン配管３１ａに設けられ、メイン配管３１ａおよびサブ配管３１ｂの双方側からガスを吸引することが可能になっている。また、コントローラ（制御手段）９０は、各弁３３〜３６の開閉制御することによっていずれの配管３１ａ，３１ｂを通じてガスを循環させるかを決定することとなる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池システム２の詳細動作を説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の停止時における詳細動作を示すフローチャートである。なお、図４に示すステップＳＴ２２〜ＳＴ３５に示す処理は、図２に示すステップＳＴ２〜ＳＴ１５に示す処理と同様であるため、説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２の停止段階においてコントローラ９０は、まず、制御弁３３、第２制御弁３５および第３制御弁３６のすべてに対し閉指令を行う（ＳＴ２１）。また、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３に対し閉指令を行う（ＳＴ２１）。その後、コントローラ９０は、循環ポンプ３２を一定時間駆動させ（ＳＴ２２）、気液分離器７１内から未利用の燃料ガスを吸引する。これにより、水排出の準備が整い、以後の処理において気液分離器７１から水が排出されることとなる。

図５は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の起動時における詳細動作を示すフローチャートである。第２実施形態に係る燃料電池システム２の起動段階においてコントローラ９０は、まず、第１圧力調整弁２３を開け、燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給する（ＳＴ４１）。ここで、燃料電池システム２の停止時には、制御弁３３、第２制御弁３５および第３制御弁３６の全てが閉じられている。このため、燃料ガスは燃料電池スタック１０を通過したあと、第２気液分離器１０１の他方側に至ることとなる。よって、第２気液分離器１０１の他方側の圧力は上昇する。

次に、コントローラ９０は、第２および第３制御弁３５，３６に開指令を行う（ＳＴ４２）。これにより、第２気液分離器１０１の他方側は、第２気液分離器１０１の一方側を経由して燃料電池スタック１０の上流側まで連通する。故に、第２気液分離器１０１の他方側の気体は排出され、第２気液分離器１０１の他方側の圧力は低下することとなる。

次いで、コントローラ９０は、第３圧力センサ１１２により検出される圧力が低下したか否かを判断する（ＳＴ４３）。上記の如く、第２および第３制御弁３５，３６が開けられると、第２気液分離器１０１の他方側の圧力は低下するはずである。逆に、第２気液分離器１０１の他方側について圧力が低下しないときには、第２気液分離器１０１の他方側が燃料電池スタック１０の上流側まで連通しておらず、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると言える。このため、コントローラ９０は、第３圧力センサ１１２により検出される圧力が低下しない場合（ＳＴ４３：ＮＯ）、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると判断する。そして、コントローラ９０は、第１解凍処理を実行し（ＳＴ４４）、その後、処理はステップＳＴ４５に移行する。

他方、第３圧力センサ１１２により検出される圧力が低下した場合（ＳＴ４３：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、第２および第３制御弁３５，３６の双方が凍結していないと判断する。そして、コントローラ９０は、第２水位センサ１１１により検出される液水が所定水位以上であるか否かを判断する（ＳＴ４５）。

ここで、第２水位センサ１１１により検出される液水が所定水位以上でないと判断した場合（ＳＴ４５：ＮＯ）、図５に示す処理は終了する。また、第２水位センサ１１１により検出される液水が所定水位以上であると判断した場合（ＳＴ４５：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３に開指令を行う（ＳＴ４６）。これにより、第２気液分離器１０１から液水の排出が開始される。

次に、コントローラ９０は、第２水位センサ１１１により検出される水位が低下したか否かを判断する（ＳＴ４７）。ここで、水位が低下しないと判断した場合（ＳＴ４７：ＮＯ）、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３が凍結していると判断する。すなわち、コントローラ９０は、液水の排出が開始されたにもかかわらず水位が低下しないため、第２水排出弁１０３が凍結していると判断する。そして、コントローラ９０は、第２および第３制御弁３５，３６、並びに第２水排出弁１０３に閉指令を行う（ＳＴ４８）。その後、コントローラ９０は、第２解凍処理を実行し（ＳＴ４９）、その後、図５に示す処理は終了する。

一方、水位が低下したと判断した場合（ＳＴ４６：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３が凍結していないと判断し、図５に示す処理は終了する。図５に示す処理の終了後、燃料電池システム２は通常運転を行う。

なお、図５においてステップＳＴ４４では、第２水位センサ１１１により検出される液水が所定水位以上でないと判断した場合（ＳＴ４４：ＮＯ）、処理は終了している。しかし、これに限らず、水位が所定水位以上となるまで、メイン配管３１ａを通じてガスを循環させ、第２気液分離器１０１にて気液分離を行うようにしてもよい。

図６は、図５に示した第１解凍処理（ＳＴ４４）の詳細を示すフローチャートであり、図７は、図５に示した第２解凍処理（ＳＴ４９）の詳細を示すフローチャートである。解凍処理では、まず、凍結していると判断された弁が電磁弁であれば常時通電状態とし、コイルの発熱で解凍を行う。また、電磁弁でない場合、ヒータ等により加熱することで解凍を行う。

また、この一方で、コントローラ９０は、図６および図７に示す処理を行う。まず、図６を参照する。第１解凍処理においてコントローラ９０は、まず、水排出弁７３に閉指令を行う（ＳＴ５１）。次に、コントローラ９０は、制御弁３３に開指令を行う（ＳＴ５２）。これにより、燃料電池スタック１０からサブ配管３１ｂを通じてガスを循環させることが可能となる。故に、第２実施形態では、解凍の間にガスの循環を停止させることなく、サブ配管３１ｂを通じてガスを循環させ、早期に通常運転に移行できるようにしている。特に、サブ配管３１ｂに気液分離器７１等を備えているため、サブ配管３１ｂを通じてガスを循環させる間に、液水が発生しても、その液水を気液分離器７１にて凝縮し排出することができる。

制御弁３３に開指令を行った後、コントローラ９０は、所定時間経過したか否かを判断する（ＳＴ５３）。所定時間経過していないと判断した場合（ＳＴ５３：ＮＯ）、所定時間経過したと判断するまで、この処理が繰り返される。一方、所定時間経過したと判断した場合（ＳＴ５３：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、制御弁３３に閉指令を行う（ＳＴ５４）。

その後、コントローラ９０は、第２制御弁３５および第３制御弁３６に開指令を行う（ＳＴ５５）。次に、第３圧力センサ１１２により検出される圧力が上昇しているか否かを判断する（ＳＴ５６）。ここで、圧力が上昇していると判断した場合（ＳＴ５６：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、第２制御弁３５および第３制御弁３６の解凍が終了していないと判断する。そして、処理はステップＳＴ５３に移行する。

他方、圧力が上昇していないと判断した場合（ＳＴ５６：ＮＯ）、コントローラ９０は、第２制御弁３５および第３制御弁３６の解凍が終了したと判断する。そして、図６に示した処理は終了し、処理は図５に示したステップＳＴ４５に移行する。なお、第２制御弁３５および第３制御弁３６の解凍が終了しているため、以降、ガスはメイン配管３１ａを通じて循環させられることとなる。

次に、図７を参照する。第２解凍処理においてコントローラ９０は、まず、水排出弁７３に閉指令を行い（ＳＴ６１）、その後、制御弁３３に開指令を行う（ＳＴ６２）。これにより、第１解凍処理と同様に、ガスの循環を停止させることなく、サブ配管３１ｂを通じてガスを循環させ、早期に通常運転に移行できるようにする。

次いで、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３に開指令を行い（ＳＴ６３）、その後、第２水位センサ１１１により検出される水位が低下したか否かを判断する（ＳＴ６４）。ここで、水位が低下していないと判断した場合（ＳＴ６４：ＮＯ）、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３の解凍が終了していないと判断する。そして、処理はステップＳＴ６３に移行する。

一方、水位が低下したと判断した場合（ＳＴ６４：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、第２水排出弁１０３の解凍が終了したと判断し、第２水排出弁１０３に閉指令を行い（ＳＴ６５）、その後、第２制御弁３５および第３制御弁３６に開指令を行う（ＳＴ６６）。次いで、コントローラ９０は、制御弁３３に閉指令を行う（ＳＴ６７）。これにより、ガスはメイン配管３１ａを通じて循環することとなる。その後、図７に示す処理は終了し、燃料電池システム２は通常運転に移行する。

なお、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、停止時に第２気液分離器１０１の他方側の圧力が低下するため、仕切板１０１ａが下がって水位が下がり、第２水排出弁１０３が液水に接することがないようになっている。このため、第２水排出弁１０３が凍結したとしても、周囲が完全に液水に覆われて凍結している場合と比較して、早期に解凍を行えるようになっている。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、低温環境下での起動性能の低下を抑制することができる。また、たとえ気液分離器７１内から燃料ガスを排出することになったとしても、希釈したうえで排出を行うことができる。また、エゼクタ７４と燃料電池スタック１０とのそれぞれに１つずつコンプレッサ４１を設ける必要がなく、省スペース化を図ることができる。

さらに、第２実施形態によれば、第２気液分離器１０１が液水の水位を調整可能となっている。ここで、燃料電池システム２が車両などの移動体に用いられている場合、移動体が坂道等にいるときや、移動体の揺れにより、液水の循環配管３１へ流入してしまうことがある。しかし、第２気液分離器１０１が液水の水位を調整可能となっているため、移動体の移動中などにメイン配管３１ａを通じてガスを循環させることで、液水の循環配管３１への流入を抑制することができる。なお、第１実施形態の気液分離器７１について液水の水位を調整可能に構成しても同様に液水の循環配管３１への流入を抑制することができる。

また、第２実施形態では、第２気液分離器１０１を経由してガスを循環させるメイン配管３１ａと、気液分離器７１を経由してガスを循環させるサブ配管３１ｂとを有している。このため、液水の全てを排出可能な気液分離器７１と、一定量の液水を残す第２気液分離器１０１とを効率的に利用することができる。すなわち、第２気液分離器１０１内の液水が凍結していない場合には、第２気液分離器１０１において一定量の液水を残しつつ液水の排出を行うことにより、燃料ガスの外部への排出を確実に防止し、第２気液分離器１０１内の液水が凍結してしまった場合のみに、気液分離器７１により液水の排出を行うようにすることができる。これにより、気液分離器７１の使用頻度を少なくし、一層燃料ガスの排出を抑制することができる。

また、システム停止前に気液分離器７１内から液水が排出される際に、各制御弁３３，３５，３６に閉指令を行い、次回のシステム起動時には燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給したうえで第２および第３制御弁３５，３６に対して開指令を行い、第２気液分離器１０１の他方側の圧力の低下を検出しないときには、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると判断することとしている。

ここで、システム停止前に各制御弁３３，３５，３６に閉指令を行い、次回のシステム起動時に燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給した場合、燃料ガスは燃料電池スタック１０を通過したあと、第２気液分離器１０１の他方側に至ることとなる。このため、第２気液分離器１０１の他方側の圧力は上昇する。そして、この状態から、第２および第３制御弁３５，３６に開指令を行った場合、第２気液分離器１０１の他方側は、第２気液分離器１０１の一方側を経由して燃料電池スタック１０の上流側まで連通する。故に、第２気液分離器１０１の他方側の気体は排出され、第２気液分離器１０１の他方側の圧力は低下することとなる。

逆に、第２気液分離器１０１の他方側について圧力が低下しないときには、第２気液分離器１０１の他方側が燃料電池スタック１０の上流側まで連通しておらず、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると言える。このため、上記場合において、第３圧力センサ１１２により他方側の圧力の低下を検出しないときには、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると判断することができる。

また、第２および第３制御弁３５，３６の双方が凍結しておらず、第２気液分離器１０１の他方側に存在する液水の水位が所定水位以上である場合に液水の排出を開始したにもかかわらず水位が低下しないときには、第２および第３制御弁３５，３６に閉指令を行い、制御弁３３に開指令を行うこととしている。ここで、上記の如く水位が低下しない場合、第２水排出弁１０３が凍結している可能性が高く、液水が排出できないままメイン配管３１ａを通じてガスを循環させるという事態が生じ得てしまう。ところが、第２および第３制御弁３５，３６に閉指令を行い、制御弁３３に開指令を行うことで、ガスの循環をサブ配管３１ｂに切り替えることとなる。これにより、まず第２水排出弁１０３を解凍してからガスを循環させる必要がなく、サブ配管３１ｂを通じてガスを循環させることができ、解凍を行う間の待機時間を削減することができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態のものと同様であるが、一部が第２実施形態のものと異なっている。以下、第２実施形態との相違点について説明する。

図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図８に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、液水排出手段（第２水排出配管１０２および第２水排出弁１０３）に代えて、気液移動系（気液移動手段）１２０を備えている。気液移動系１２０は、気液移動配管１２１と、気液移動弁１２２とを有している。気液移動配管１２１は、一端が第２気液分離器１０１の一方側に接続され、他端が気液分離器７１に接続されている。気液移動弁１２２は、気液移動配管１２１に設けられ、開閉動作することにより流路を開放したり遮断したりするものである。

ここで、第２気液分離器１０１は気液分離器７１よりも上方に設けられている。このため、気液移動系１２０は、第２気液分離器１０１により気液分離された液水を気液分離器７１に移すと共に、気液分離器７１により気液分離された気体を第２気液分離器１０１に移すものとして機能することとなる。すなわち、気液移動弁１２２が開けられると、第２気液分離器１０１内の液水が気液移動配管１２１を通じて気液分離器７１内に移動することとなる。また、気液分離器７１内に液水が流入してくるため、気液分離器７１内の気体は気液移動配管１２１を通じて第２気液分離器１０１に押し出されることとなる。

このように構成されるため、燃料電池システム３は、第２気液分離器１０１の液水を気液分離器７１に移動させ、第２気液分離器１０１での凍結を防止することができる。また、気体を第２気液分離器１０１に移動させたうえで、気液分離器７１から液水を排出するため、燃料ガスを一層外部に排出し難くなる。なお、気液移動弁１２２は常時開状態となっているが、気液分離器７１から液水を排出するときには、閉じられることとなる。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、第２実施形態と同様に、低温環境下での起動性能の低下を抑制することができる。また、たとえ気液分離器７１内から燃料ガスを排出することになったとしても、希釈したうえで排出を行うことができる。また、エゼクタ７４と燃料電池スタック１０とのそれぞれに１つずつコンプレッサ４１を設ける必要がなく、省スペース化を図ることができる。

また、液水の循環配管３１への流入を抑制することができると共に、気液分離器７１の使用頻度を少なくし、一層燃料ガスの排出を抑制することができる。また、第２および第３制御弁３５，３６の少なくとも一方が凍結していると判断することができる。また、第２水排出弁１０３を解凍してからガスを循環させる必要がなく、サブ配管３１ｂを通じてガスを循環させることができ、解凍を行う間の待機時間を削減することができる。

さらに、第３実施形態によれば、第２気液分離器１０１により気液分離された液水を気液分離器７１に移すと共に気液分離器７１により気液分離された気体を第２気液分離器１０１に移すこととしている。このため、第２気液分離器１０１によって気液分離された液水を気液分離器７１に移動させることで、第２気液分離器１０１での凍結を防止することができる。また、気液分離器７１によって気液分離された気体を第２気液分離器１０１に移動させることで、気液分離器７１から液水を排出する際に気液分離器７１内の燃料ガスが少なくなり、排出される燃料ガスの量を少なくすることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時における詳細動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの停止時における詳細動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時における詳細動作を示すフローチャートである。 図５に示した第１解凍処理（ＳＴ４４）の詳細を示すフローチャートである。 図５に示した第２解凍処理（ＳＴ４９）の詳細を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１〜３…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系
２１…燃料ガス貯蔵タンク（燃料ガス供給手段）
２２…燃料ガス供給配管
２３…第１圧力調整弁
３０…ガス循環系
３１…循環配管（ガス循環ライン）
３１ａ…メイン配管（メインライン）
３１ｂ…サブ配管（サブライン）
３２…循環ポンプ（気体吸引手段）
３３…制御弁（第１制御弁）
３４…循環弁
３５…第２制御弁
３６…第３制御弁
４０…酸化剤ガス供給系
４１…コンプレッサ（酸化剤ガス送出手段）
４２…酸化剤ガス供給配管
５０…酸化剤ガス排出系
５１…酸化剤ガス排出配管
５２…第２圧力調整弁
６１…第１開閉弁
６２…バイパス配管
６３…第２開閉弁
７０…水排出系
７１…気液分離器（気液分離手段）
７２…水排出配管
７３…水排出弁
７４…エゼクタ（液水吸引排出手段）
８１…第１圧力センサ
８２…第２圧力センサ
８３…水位センサ
９０…コントローラ（制御手段）
１００…第２水排出系
１０１…第２気液分離器（第２気液分離手段）
１０１ａ…仕切板
１０２…第２水排出配管（液水排出手段）
１０３…第２水排出弁（液水排出手段）
１１１…第２水位センサ（水位検出手段）
１１２…第３圧力センサ（圧力検出手段）
１２０…気液移動系（気液移動手段）
１２１…気液移動配管
１２２…気液移動弁

Claims (9)

1. 燃料ガスの提供を受ける燃料極および酸化剤ガスの提供を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインと、
   前記ガス循環ライン上に設けられ、前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを気液分離する気液分離手段と、
   前記気液分離手段によって気液分離された該気液分離手段内の気体を吸引する気体吸引手段と、
   前記気体吸引手段により気体が吸引された前記気液分離手段内の液水を吸引して外部に排出する液水吸引排出手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 酸化剤ガスを送出する酸化剤ガス送出手段をさらに備え、
   前記液水吸引排出手段は、前記酸化剤ガス送出手段から送出される酸化剤ガスの流れにより前記気液分離手段内の液水を吸引するエゼクタである
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化剤ガス送出手段は、前記エゼクタに加えて、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを送出する構成となっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記気液分離手段は、貯留する液水の水位を調整可能となっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを気液分離すると共に、貯留する液水の水位を調整可能な第２気液分離手段と、
   前記第２気液分離手段により気液分離された液水を排出する液水排出手段と、をさらに備え、
   前記ガス循環ラインは、前記第２気液分離手段を経由してガスを循環させるメインラインと、前記第１気液分離手段を経由してガスを循環させるサブラインとを有する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２気液分離手段は、内部空間を二分する仕切板を有し、前記仕切板によって二分される空間の一方側で気液分離を行い、この一方側に前記メインラインが接続され、前記仕切板によって二分される空間の他方側に前記サブラインが接続され、前記他方側の圧力が調整されることで前記仕切板を動かして液水の水位を調整することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 燃料ガスを前記燃料電池スタックの燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
   前記第２気液分離手段の他方側から排出されたガスが前記気液分離手段に至るまでの区間における前記サブラインに設けられた第１制御弁と、
   前記燃料電池スタックから排出されたガスが前記第２気液分離手段の一方側に至るまでの区間における前記メインラインに設けられた第２制御弁と、
   前記第２気液分離手段の一方側から排出されたガスが前記燃料電池スタックに至るまでの区間における前記メインラインに設けられた第３制御弁と、
   前記第２気液分離手段の他方側の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記第１から第３制御弁の開閉指令を行う制御手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、システム停止前に前記気液分離手段内から液水を排出する際に、前記第１から第３制御弁に閉指令を行い、次回のシステム起動時には前記燃料ガス供給手段によって前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給したうえで前記第２および第３制御弁に対して開指令を行い、前記圧力検出手段により前記他方側の圧力の低下を検出しないときには、前記第２および第３制御弁の少なくとも一方が凍結していると判断する
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記第２気液分離手段の一方側に存在する液水の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、
   前記液水排出手段は、前記制御手段により第２および第３制御弁の双方が凍結していないと判断された場合、前記水位検出手段により検出された水位が所定水位以上であるときには、液水の排出を開始し、
   前記制御手段は、前記液水排出手段によって液水の排出が開始されたにもかかわらず、前記水位検出手段により検出される水位が低下しない場合、前記第２および第３制御弁に閉指令を行い、前記第１制御弁に開指令を行う
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記第２気液分離手段により気液分離された液水を前記気液分離手段に移すと共に前記気液分離手段により気液分離された気体を前記第２気液分離手段に移す気液移動手段をさらに備えることを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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